DE69826896T2

DE69826896T2 - Einrichtung zur überwachung der kornqualität

Info

Publication number: DE69826896T2
Application number: DE69826896T
Authority: DE
Inventors: M. David MAYES
Original assignee: Textron Systems Corp
Current assignee: Textron Systems Corp
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: US6100526A; CN1284164A; BR9815664A; CN1184467C; RU2195644C2; CA2319524C; EP1053463A1; AU6659098A; EP1053463B1; AU742843B2; CA2319524A1; DE69826896D1; JP2003526079A; WO1999040419A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Bestimmung von Bestandteilen in einem fließenden Strom eines landwirtschaftlichen Produkts.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist seit langem anerkannt, dass der Wert von landwirtschaftlichen Produkten, wie beispielsweise Getreidekörner und dergleichen, durch die Qualität ihrer inhärenten Bestandteile beeinflusst wird. Insbesondere können Getreidekörner mit wünschenswerten Eiweiß-, Öl-, Stärke-, Faser- und Feuchtegehalt und gewünschten Niveaus von Kohlenwasserstoffen und anderen Bestandteilen einen Höchstpreis erzielen. Günstige Märkte für diese Körner und ihre verarbeiteten Produkte haben daher den Bedarf erzeugt, den Inhalt und ebenfalls verschiedene andere physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise Härte, zu kennen.
Um Markterwartungen zu erfüllen, wurden zahlreiche Analyseeinrichtungssysteme mittels Nah-Infrarot-Spektroskopietechniken (NIR-Spektroskopietechniken) entwickelt, um die prozentualen Konzentrationen von Stärke und Feuchte zu analysieren. Einige derartige Systeme zielen auf Getreidekörner in gemahlener Form, wie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5 258 825 erläutert wird. Der durch Mahlen in einigen Fällen hinzugefügte Wert verringert den wirtschaftlichen Gewinn, der durch erstes Sortieren erhalten wird, und somit zielen Andere auf die Analyse von ganzen Körnern, wie beispielsweise bei dem US-Patent Nr. 4 260 262.
Spektrophotometrische NIR-Techniken werden typischerweise aufgrund ihrer Geschwindigkeit bevorzugt, die typischerweise nur 30 bis 60 Sekunden erfordern, um Ergebnisse zu liefern, verglichen mit dem Stunden an Zeit, die benötigt werden würden, um Bestandteile mittels nasser chemischer und anderer Laborverfahren zu trennen und zu analysieren. Spektrophotometrische NIR-Techniken werden ebenfalls bevorzugt, da sie die analysierten Proben nicht zerstören. Bei einer typischen Analyse von Weizenkörnern wird beispielsweise eine Probe seriell mit ausgewählten Wellenlängen bestrahlt. Als nächstes wird entweder der diffuse Durchlässigkeitsgrad der Probe oder ihr diffuser Reflexionsgrad gemessen. Jede der beiden Messungen eignet sich dann für die bei Algorithmen, die benutzt werden, um die prozentualen Konzentration von Bestandteilen einer Substanz zu bestimmen.
Beispielsweise bestimmt die in dem US-Patent Nr. 42 260 262 beschriebene Analyseeinrichtung den Prozentsatz von Öl, Wasser und Eiweißbestandteilen mittels der folgenden Gleichungen: Öl-% = K0 + K1(ΔOD)w + K2(ΔOD)o + K3(ΔOD)p Wasser-% = K4 + K5(ΔOD)w + K6(ΔOD)o + K7(ΔOD)p Eiweiß-% = K8 + K9(ΔOD)w + K10(ΔOD)o + K11(ΔOD)p wobei (ΔOD)_w die Änderung in der optischen Dichte mittels eines Wellenlängenpaars, die gegen den prozentualen Feuchtegehalt empfindlich sind, (ΔOD)_o die Änderung in der optischen Dichte mittels eines Paars von Wellenlängen, die auf den prozentualen Ölgehalt ansprechen, und (ΔOD)_p die Änderungen der optischen Dichte mit einem Paar von Wellenlängen darstellt, die auf den prozentualen Eiweißgehalt ansprechen. K₀–K₁₁ sind Konstanten oder Einflussfaktoren.
Die Änderung in der optischen Dichte jedes gegebenen Bestandteils kann somit aus der folgenden Gleichung gefunden werden: ΔD = log(Ii/Ir)1 – log(Ii/Ir)2 wobei (Ii/Ir)₁ das Verhältnis der Intensität des einfallenden Lichts zu der Intensität des reflektierten Lichts bei einer ausgewählten Wellenlänge und (Ii/Ir)₂ das Verhältnis der Intensität des einfallenden Lichts zu der Intensität des reflektierten Lichts einer zweiten ausgewählten Wellenlänge ist.
Typischerweise verwenden Kornanalyseeinrichtungen ausgewählte Wellenlängen in dem Bereich von etwa 1100 bis 2500 nm. Bei dem US-Patent Nr. 5 258 825 wurden jedoch Teilchengröße-Effekte von Mehl durch zusätzliches Verwenden einer Wellenlänge von 540 nm überwunden.
Filterräder und Beugungsgitter wurden verwendet, um spezifische Wellenlängen von Interesse beim Analysieren von Kornbestandteilen zu erzeugen oder zu erfassen. Derartige Systeme haben jedoch keine Verwendung bei Echtzeitmessungen von Bestandteilen während des Prozesses des Erntens von Korn gefunden, vielleicht weil sie nicht geeignet sind, den mechanischen Schwingungen und anderen veränderlichen Bedingungen zu widerstehen, die bei derartigen Umgebungen angetroffen werden.
Das US-Patent 5 021 662 offenbart ein System, bei dem Infrarotlicht, das einen fließenden Produktstrom bestrahlt, durch ein Beugungsgitter erfasst wird. Das US-Patent 5 406 084 offenbart ein System, das eine Nah-Infrarotlichtquelle, einen optischen Aufnehmer, einen Wellenlängenseparator und einen Detektor verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist eine Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher mit einem System und Verfahren zur Nah-Infrarot-Analyse (NIR-Analyse) zum Bestimmen der prozentualen Konzentration von Bestandteilen in einem fließenden Strom von landwirtschaftlichen Produkten und zugehörigen Substanzen auf einer Echtzeitgrundlage während des Erntens gerichtet, wie in Ansprüchen 1 bzw. 11 definiert ist, wobei weitere Merkmale in den abhängigen Ansprüchen dargelegt werden. Derartige landwirtschaftliche Produkte können Getreidekörner, wie beispielsweise Weizen, Mais, Roggen, Hafer, Gerste, Reis, Sojabohnen, Amaranth, Triticale und andere Körner, Gräser und Futtermaterialien umfassen, wobei sie jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Die Erfindung verwendet die diffusen Reflexionseigenschaften von Licht, um prozentuale Konzentrationen zu erhalten. Die beteiligten Techniken messen ein spektrales Ansprechvermögen auf kurze Wellenlängen, Nah-Infrarot-Strahlungsenergie (NIR-Strahlungsenergie) in dem Bereich von 600 bis etwa 1100 nm sowie auch Licht im sichtbaren Spektrum, einschließlich Wellenlängen, die so niedrig wie etwa 570 nm sind. Das spektrale Ansprechvermögen bei kürzeren Wellenlängen hilft beim Modellieren von Eiweißen und anderen Bestandteilen in Verbindung mit der Empfindlichkeit bei höheren Wellenlängen.
Das Analysesystem umfasst einen optischen Kopf, der eine Lichtquelle mit geeigneter Bandbreite zum gleichzeitigen Bestrahlen des fließenden landwirtschaftlichen Produktstroms mit mehreren Strahlungswellenlängen aufweist. Ein Lichtaufnehmer nimmt Strahlung auf, die diffus von einem diskreten Abschnitt der fließenden Substanz reflektiert wird, die analysiert wird. Der Aufnehmer leitet seinerseits das empfangene Licht entlang eines faseroptischen Kabels zu einem Erfassungs- und Berechnungssubsystem, das in einiger Entfernung von dem optischen Kopf angebracht sein kann.
In dem Subsystem empfängt ein Modenmischer zuerst das Licht. Der Modenmischer leitet seinerseits das empfangene Licht durch eine mechanisch stabile Faser zu einem optischen Erfassungsblock. Der optische Erfassungsblock besteht aus einer Faserkopplung und einem Paar von Zylinderlinsen. Die Zylinderlinsen leiten ihrerseits Licht zu einem Wellenlängenseparator, wie beispielsweise einem linearen variablen Filter (LVF) weiter, um die Wellenlänge von Interesse räumlich zu trennen.
Der räumliche Separator umfasst seinerseits einen Detektor mit geeigneter Empfindlichkeit, wie beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), die imstande ist, parallel und zur gleichen Zeit mehrere Wellenlängen der diffus reflektierten Strahlung einzeln zu erfassen. Die Empfindlichkeiten bei einzelnen Wellenlängen werden dann erfasst und in eine geeignete Form, wie beispielsweise Digitaldaten, umgewandelt, um dann die prozentuale Konzentration der verschiedenen Bestandteile der Substanz zu berechnen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, bei denen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen Teile überall in den unterschiedlichen Ansichten beziehen.
Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei die Betonung anstatt auf die Darstellung der Prinzipien der Erfindung platziert ist.
1 ist eine schematische Darstellung auf hohem Niveau eines Kurzwellen-Nah-Infrarot-Kornqualitätsanalysesystems gemäß der Erfindung.
2A und 2B sind detaillierte Ansichten einer Lichtquelle eines Detektors, die ihre mechanische Konfiguration mit Bezug auf einen Kornkanal zeigen, die ebenfalls die offenen und geschlossenen Stellungen eines Aufnahmeverschlusses zeigen.
3 ist eine detaillierte Ansicht eines Optikblocks, die einen Modenmischeroptikblockverschluss, Filter und optischen Detektorkomponenten zeigt.
4 stellt einen Prozess für das System zum Messen des Absorptionsvermögens dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug nun ausführlicher auf 1 ist die vorliegende Erfindung ein System 1 zum Analysieren der Bestandteile eines fließenden Stroms eines landwirtschaftlichen Produkts, wenn es geerntet wird. Die landwirtschaftlichen Produkte, die durch das System 1 analysiert werden können, umfassen Getreidekörner, wie beispielsweise Weizen, Mais, Roggen, Hafer, Gerste, Reis, und Sojabohnen, Amaranth, Tritical und andere Körner, Gräser und Futtermaterialien, wobei sie jedoch nicht darauf beschränkt sind. Die analysierten Bestandteile können Eiweiß, Öl, Stärke, Faser, Feuchte, Kohlenwasserstoffe und andere Bestandteile und physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise Härte umfassen, wobei sie jedoch nicht darauf beschränkt sind. Obwohl die folgende Erläuterung ein besonderes Beispiel beschreibt, bei dem das analysierte Produkt ein Getreidekorn ist, sollte ersichtlich sein, dass weitere landwirtschaftliche Produkte ebenfalls analysiert werden können.
Das System 1 verwendet eine geeignete kontinuierlich bestrahlende Vorrichtung, wie beispielsweise eine Infrarotlichtquelle 10. Die Strahlung von der Lichtquelle 10 scheint nach vorne durch ein Fenster 12 auf eine Probe eines fließenden landwirtschaftlichen Produkts 14, das geerntet wird.
Die Lichtquelle 10 erzeugt kontinuierlich und gleichzeitig Infrarotlicht von mehreren Wellenlängen in einem erweiterten Kurzwellenbereich von Interesse, wie beispielsweise von etwa 570 bis etwa 120 nm. Die bevorzugte Lichtquelle ist eine Quarzhalogen- oder Wolframfadenlampe, wie sie vielfach verfügbar ist. Eine typische Lichtquelle 10 ist eine Wolframfadenglühlampe, die bei 5 Volt (VDC) arbeitet und einen Ampere Strom zieht. Die Lichtquelle 10 kann ferner durch Filtern oder durch Verwenden einer integralen lichtempfindlichen Rückkopplungsvorrichtung auf eine Art und Weise stabilisiert werden, die in der Technik bekannt ist (nicht gezeigt).
Die Lichtquelle 10 ist positioniert, um auf das fließende Getreideprodukt 14 zu scheinen, wenn es durch eine Beförderungseinrichtung, wie beispielsweise einem Kanal 16 fließt, der beispielsweise in einer landwirtschaftlichen Ernteeinrichtung oder Mähdrescher angeordnet sein kann. Der Fluss des landwirtschaftli chen Produkts 14 durch den Kanal 16 ist im Allgemeinen in der Richtung der dargestellten Pfeile.
Die Lichtquelle 10 und die dazugehörigen Bauteile, die benachbart dem Kanal 16 positioniert sind, können in einem geeigneten Sensorkopfgehäuse 11 platziert werden. In einem derartigen Fall ist ein Fenster 12 vorzugsweise zwischen der Lichtquelle 10 und dem fließenden landwirtschaftlichen Produkt 14 angeordnet. Das Fenster 12 ist aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Saphir, ausgebildet, das bei den Wellenlängen von Interessen lichtdurchlässig ist und das keine bedeutende Absorptionsverschiebung aufgrund von Temperaturänderungen erlebt. Das Fenster 12 kann einstückig mit dem Gehäuse 11 oder dem Kanal 16, wie gewünscht, ausgebildet sein.
Das Sensorkopfgehäuse 11 einschließlich der Lichtquelle 10, dem Fenster 12 und anderen zugehörigen, zu beschreibenden Bauteile sind somit positioniert, um einen kontinuierlichen Fluss des landwirtschaftlichen Produkts 12 durch den Kanal 16 zu überwachen. Dies kann durch Anbringen des Gehäuses 11 erreicht werden, so dass das Fenster 12 benachbart einer Öffnung 15 in dem Kanal 16 angeordnet ist, sodass die Lichtquelle 10 durch das Fenster 12 und die Öffnung 15 auf das fließende Produkt 14 scheint.
Das Sensorkopfgehäuse 11 kann ein getrenntes physisches Gehäuse oder einstückig mit dem Kanal 16 ausgebildet sein.
Ein Parabolreflektor oder -spiegel 17 ist ebenfalls vorzugsweise in dem Gehäuse 11 angeordnet, um die Ausgabe der Lichtquelle 10 in einen Strahl 13 von ungefähr einem Zentimeter in Brennweite zu kollimieren. Der Parabolspiegel 17 fokussiert die Lichtquelle 10 innerhalb des Stroms des fließenden Produkts 14.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann mehr als eine Lichtquelle 10, wie beispielsweise ein Array von Infrarotemittern, verwendet werden, solange wie sie auf den gleichen Punkt fokussiert werden.
Es wird bevorzugt, dass die Lichtquelle 10 derart platziert wird, dass sie das fließende Produkt 14 durch das Fenster 12 direkt bestrahlt, wobei keine Faseroptik oder andere Vorrichtung verschieden von dem Fenster 12 selbst zwischen der Lichtquelle 10 und dem fließenden Produkt 14 angeordnet ist.
Eine Steuerelektronik 18 kann ebenfalls in dem Gehäuse 11 angeordnet sein, um einen Verschluss zu betätigen, der ausführlicher nachstehend in Verbindung mit 2 beschrieben wird.
Durch die Lichtquelle 10 emittiertes Licht läuft somit durch das Fenster 12 und die Öffnung 15 und wird von dem fließenden Produkt 14 diffus reflektiert. Ein faseroptischer Aufnehmer 20, der vorzugsweise ebenfalls in dem gleichen Gehäuse 11 angeordnet ist, ist ausgebildet, um einen Teil des diffus reflektierten Lichts von dem fließenden Produkt 14 zu sammeln. Obwohl diese diffusen Reflexionen primär von dem Brennpunkt der Lichtquelle 10 sind, sollte ersichtlich sein, dass Licht tatsächlich von einem Probenvolumen 19 zurückgeführt wird, das durch den Schnittpunkt des Strahls 13 definiert wird, der durch die Lichtquelle 10 und die Apertur oder dem „Gesichtsfeld" des faseroptischen Aufnehmers 20 erzeugt wird.
Der faseroptische Aufnehmer 20 ist typischerweise eine optische Faser von Kommunikationsqualität. Sie würde typischerweise einen Durchmesser von etwa 62,5 μm bis zu etwa 1 mm aufweisen. Eine geeignete Faser weist einen Durchmesser von 600 μm in einer NA von 0,22 auf (Brechzahl von ungefähr 2,3). Der Aufnehmer 20, der vorzugsweise mit einem Winkel mit Bezug auf das Fenster 12 angeordnet ist, ist geeignet, um diffus reflektiertes Licht, jedoch keine bedeutsame Fensteroberflächenreflexion zu sammeln, sodass Licht von dem Fenster 12 die Apertur des aufnehmenden Faseroptik 20 füllt. Ein geeigneter Winkel kann beispielsweise 45° sein.
Die Ausgabe des faseroptischen Aufnehmers 20 wird dann durch eine optische Faser 26 zu einem Detektor und Elektronikblock 30 gespeist, um die Anteile des fließenden Produkts 14 zu bestimmen. Der Detektor und Elektronikblock 30 umfasst einen Optikblock 32, einen A/D-Wandler 33, eine Bestandteilberechnungsfunktion 34, einen Controller 35 und eine Anzeigeschnittstelle 36. Die Bestandteilberechnungsfunktion 34, der Controller 35 und die Anzeigeschnittstelle 36 sind vorzugsweise als Software in einem Computer, Mikrocontroller, Mikroprozessor und/oder Digitalsignalprozessor 39 implementiert. Die Funktionen des Elektronikblocks werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
Wie ausführlicher in 2A gezeigt ist, kann bei einer bevorzugten Ausführungsform das Gehäuse 11 und das Fenster 12 positioniert sein, sodass ein Raum 22 zwischen ihnen für die Platzierung eines Bezugsflags oder Verschlusses 24 ausgebildet ist. Der Bezugsverschluss 24 ist aus einem Material mit hohem diffusen Reflexionsgrad, wie beispielsweise Spectralon^TM (einem von Labsphere, North Sutten, NH, erhaltenem gepressten Silikat), oder einer Keramik gebildet.
Der Verschluss 24 ist positioniert, sodass er selektiv in oder aus der Position benachbart dem Ende des Aufnehmers 20 bewegt werden kann. Der Verschluss 24 ist somit typischerweise an einer Steuervorrichtung, wie beispielsweise eine Motorwelle 25, angebracht, die von einem Motor 29 angetrieben wird, der von dem Controller 35 in dem Elektronikblock 30 aktiviert werden kann. Der Motor 29 ermöglicht dem Controller 35, selektiv eine geschlossene oder offene Stellung für den Verschluss 24 auszuwählen, wie es in der Vorderansicht von 2B gezeigt ist.
Ein elektronisches Signal oder Signale 27 ist/sind zwischen dem Elektronikblock 30 und dem Sensorkopf 11 verbunden, um einen Weg für den Controller 35 bereitzustellen, Signale zu leiten, um die Stellung des Verschlusses 24 zu steuern. Beispielsweise ist der Verschluss 24 in der offenen Stellung platziert, um zu ermöglichen, dass Licht zu der Probe laufen und von der fließenden Produktprobe 24 während Probenmessvorgänge diffus reflektiert und in einer geschlossenen Stellung platziert werden kann, um Licht von der Probe und diffus reflektiertes Licht von dem Verschluss 24 während Bezugsmessungen einzuschließen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Die optischen Faser- und elektrischen Signale 27 können zusammen in einem Kabelmantel 28 gebündelt werden, der zwischen dem Detektorkopfgehäuse 11 und dem Detektor und Elektronikblock 30 verbunden ist. Bei einem praktischen Einsatz des Systems 1, wie beispielsweise bei einer landwirtschaftlichen Ernteeinrichtung, ist vorzuziehen, dass der Kabelmantel 28 ausreichend lang ist, sodass das Detektorkopfgehäuse 11 benachbart der Kornrutsche 16 platziert werden kann, während der Detektor und Elektronikblock 30 in einer weniger rauen Umgebung, wie beispielsweise hinten in der Kabine der Ernteeinrichtung, platziert werden kann. Ein derartiger Abstand kann beispielsweise 3 m oder mehr oder weniger sein.
Alternativ kann der Sensorkopf 11 und der Ganze oder ein Teil des Elektronikblocks 30 benachbart der Rutsche 16 angebracht sein, wobei in diesem Fall die optische Faser 26 nicht benötigt wird.
Obwohl ein faseroptischer Aufnehmer 20 mit einem relativ großen Durchmesser von 600 μm relativ gut im Sammeln von Licht ist, ist es ziemlich wahrscheinlich, dass es in praktischen Situationen mindestens erforderlich sein wird, das Kabel 28 und somit die Faseroptik 26 in ihm zu biegen, damit es in und/oder um den Körper oder anderen Teilen der Ernteeinrichtung passt. Im Normalfall wird das Kabel 28 ebenfalls Schwingungen unterworfen, wenn sich die Ernteeinrichtung durch ein Feld bewegt, wobei das fließende Produkt 14 geerntet wird.
Ungünstigerweise können Schwingungen, die einer arbeitende Ernteeinrichtung oder einer anderen Maschinerie zugeordnet sind, unerwünschte Modenstörungen in der optischen Faser 26 verursachen. Diese Modenstörungen werden in der Form von Reflexionen höherer Ordnung erzeugt, sodass der Optikblock 32 unerwünschte Erfassungsmoden aufweisen kann. Diese Modenstörungen verursachen ihrerseits unerwünschte Änderungen in der Lichtintensität, die sich nicht auf die Eigenschaften des fließenden Produkts 14 beziehen und die damit erhebliches Rauschen zu der gewünschten Messung der Eigenschaften des fließenden Produkts 14 hinzufügen.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, werden der Detektor und der Elektronikblock 30 auf eine besonders bevorzugte Art und Weise implementiert. Es sei nun die Aufmerksamkeit insbesondere auf 3 gerichtet, wobei der Detektor und Elektronikblock 30 einen Modenmischer 42, einen Faserabschnitt 44 und einen Detektorblock 46 aufweist, der selbst ein Paar von Zylinderlinsen 48-1, 48-2 einen Wellenlängenseparator 50 und einen Detektor 52 umfasst.
Der Modenmischer 42 ist gekoppelt, um den Lichtausgang der optischen Faser 25 aufzunehmen, und dient dazu, Moden höherer Ordnung von dem empfangenen optischen Signal zu entfernen. Der Modenmischer 42 kann mit einer Anzahl unterschiedlicher Bauteile implementiert sein.
Beispielsweise besteht eine Technik zum Implementieren des Modenmischers 42 darin, eine oder mehrere, vorzugsweise eine so genannte „Grin"-Linse zu verwenden. Die Grin-Linsen weisen eine Schwerpunktwellenlänge auf, die ungefähr die gleiche wie die der Mitte der Infrarotregion von Interesse ist, die hier 800 nm ist. Die Grin-Linsen weisen ebenfalls einen relativ hohen kollektiv Pitch von etwa 0,4 bis 0,5 auf. Beispielsweise können zwei Grin-Linsen verwendet werden, die jeweils einen Pitch von etwa 0,2 bis 0,25 aufweisen. Der relativ hohe kollektive Pitch stellt ein ungefähres Fleck-orientiertes Bild anstatt eines Bilds vom Kegeltyp an dem Ausgang bereit. Eine geeignete Grin-Linse kann von NSG Corporation, Somerset, New Jersey, erhalten werden.
Der Modenmischer 42 kann ebenfalls als ein holographischer Diffusor implementiert sein. In einigen Fällen kann ein holographischer Diffusor eine wünschenswertere Implementierung des Modenmischers 42 darstellen, da seine Empfindlichkeit nicht wellenlängenabhängig ist, wie es eine Grin-Linse ist. Eine Grin-Linse ist jedoch einfacher auf der Grundlage einer Einzelanfertigung ("one-off" basis) herzustellen. Eine Art eines geeigneten holographischen Diffusors ist der von der Digital Optics Corporation, Charlotte, North Carolina verfügbare „Beam Homogenizer".
Die Faserkopplung 44 stellt ein mechanisch stabiles Lichtrohr für die Kopplung des Ausgangs des Modenmischers 42 mit dem Rest des Optikblocks 46 bereit.
Ein weiterer Verschluss 47 ist vorzugsweise an dem Ausgang der Faserkopplung angeordnet. Dieser Verschluss des optischen Blocks 47 ist aus einem lichtundurchlässigen Material gebildet und wird verwendet, um Licht am Eintreten in den Optikblock 46 während des Sammelns einer Referenzdunkelspektralprozedur zu hindern, die ausführlicher nachstehend beschrieben ist.
Die Zylinderlinsen 48-1 und 48-2 dienen dazu, die empfangene Lichtenergie an dem Eingang des Optikblocks 46 ordnungsgemäß auf den Detektor 52 zu fokussieren.
Der Wellenlängenseparator 50 stellt eine räumliche Trennung der verschiedenen Wellenlängen von diffus reflektierter Lichtenergie von Interesse bereit. Geeignete Wellenlängenseparatoren 50 umfassen linear variable Filter (LVF), Gitter, Prismen, Interferometer oder ähnliche Vorrichtungen. Der Wellenlängenseparator 50 ist vorzugsweise als ein linear variables Filter (LVF) mit einer Auflösung (Δλ/λ) von ungefähr 1 bis 4 Prozent implementiert.
Die nun räumlich getrennten Wellenlängen werden ihrerseits auf den Detektor 52 fokussiert. Der Detektor 52 ist derart, dass er gleichzeitig die Empfindlichkeit eines breiten Bereichs von Wellenlängen misst. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor 52 ein Array von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCDs), die die Lichtintensität bei jeder der jeweiligen Wellenlängen einzeln messen. Mit anderen Worten ist jede Zelle des CCD Arrays abgestimmt, um die Intensität eines einzelnen Lichtdurchlassbereichs zu messen.
Weitere geeignete Detektoren 52 können jedoch aus schnellabtastenden Photodioden, Ladungsinjektionsvorrichtungen (CIDs) oder allen anderen Arrays von Detektoren aufgebaut sein, die für die Aufgabe des gleichzeitigen parallelen Erfassens der Wellenlängen von Interesse geeignet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor 52 ein Silizium-CCD-Arrayprodukt, wie beispielsweise ein Fairchild CCD 133A, das von Loral-Fairchild erhältlich ist. Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine räumliche Auflösung von etwa 13 μm auf. Die Frequenzauflösung ist die ausgewählte Bandbreite von Interesse (wie durch das lineare variable Filter 50 bestimmt) geteilt durch die Anzahl von CCD Elementen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das CCD Array 52 ein Array mit 1024 Elementen, das Wellenlängen in dem Bereich von etwa 570 bis etwa 1120 nm verarbeitet.
Außerdem ist der Detektor 52, wie beispielsweise ein CCD-Array, typischerweise temperaturempfindlich, sodass Stabilisierung gewöhnlicherweise bevorzugt wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform können aufgrund der kompakten Ausgestaltung des Optikmoduls 46 und der relativ engen Positionierung des LVF 50 und des CCD-Arrays 52 beide dieser Bauteile zusammen Temperaturstabilisiert werden. Die Temperaturstabilisierung kann durch geeignete Wärmesenkenoberflächen, einen thermoelektrischen Kühler (Peltier-Kühler) oder einen Ventilator erfolgen.
Es sei nun die Aufmerksamkeit erneut auf 1 gerichtet, wobei dann die von der CCD für jede Wellenlänge bereitgestellten einzelnen elektrischen Signale von dem Ausgang des Detektors 52 gespeist werden, um in Digitalsignale durch den A/D-Wandler 33 umgewandelt zu werden.
Ein Rechenblock 34, der vorzugsweise in einem Mikrocomputer oder einem Digitalsignalprozessor implementiert ist, wie oben beschrieben, führt dann Berechnungen auf der Grundlage der empfangenen Wellenlängenintensitäten durch, um prozentuale Konzentrationen von Bestandteilen der Probe 14 zu erhalten. Der Prozentsatz von Bestandteilen, der mittels eines chemometrischen Models bestimmt wird, wird dann auf jede gewünschte Art und Weise, wie beispielsweise durch ein Messgerät, gezeigt oder auf einer Anzeige dargestellt. Die Anzeige kann einstückig mit einem Laptopcomputer oder anderem Computer sein, der in der Kabine der Ernteeinrichtung platziert ist. Der Rechenblock kann Teil des Elektronikblocks 30 oder von ihm physisch getrennt sein.
Techniken zum Berechnen von prozentualen Kornkonzentrationen basierend auf Lichtabtastungen und besonderen Wellenlänge sind die in dem Buch von Sharaf, M. A., Illman, D. L. und Kowalski, B. R. mit dem Titel „Chemometrics" (New York: J. Wiley & Sons, 1986) detailliert dargestellten Techniken mit mehreren zufälligen Variablen.
Bevorzugte Wellenlängen von Interesse hängen von den zu messenden Bestandteilen ab. Wenn beispielsweise Eiweißkonzentration gemessen wird, machen die Algorithmen Gebrauch von dem Absorptionsgrad, der den Schwingungs-Rotations-Obertonbändern der Substruktur des Eiweißes zugeschrieben werden kann. Bei längeren Wellenlängen sind die Koeffizienten des Absorptionsgrads groß, die Pfadlänge ist kurz, und somit würde man nicht das innere der Kornteilchen abtasten. Bei kürzeren Wellenlängen sind die Koeffizienten des Absorptionsgrads klein, und das Signal ist somit schwach.
Das System 1 sieht somit die Bestrahlung der Probe gefolgt von der räumlichen Trennung und parallelen Erfassung der mehreren Wellenlängen vor, wobei für eine schnelle Analyse dieser Probe gesorgt wird. Da die optischen Abschnitte der Einheit außerdem gegen Schwingungen stabil sind, ist sie im Wesentlichen gegen Schwingungen unempfindlich, wie sie beispielsweise in landwirtschaftlichen Ernteeinrichtungen oder anderem Ernte- und Verarbeitungsgerät angefunden werden. Das System 1 kann daher ohne weiteres in Umgebungen eingesetzt werden, wobei eine Echtzeitanalyse von geerntetem Korn oder anderen landwirtschaftlichen Produkten während des Erntens ausgeführt werden kann. Die dadurch erhaltenen Daten können mit Bezugsdaten verglichen werden, um prozentuale Konzentrationen von Bestandteilen zur Verwendung beim Feldlayout-Mapping gemäß dem so genannten globalen Positionierungssystem (GPS) bereitzustellen.
Außerdem stellt die Verwendung des CCD-Arrays 52 Vorteile gegenüber Techniken des Stands der Technik bereit, die diskrete oder abgetastete Diodenarrays verwenden. Insbesondere werden die CCD-Behälter zur gleichen Zeit alle parallel miteinander mit Ladung gefüllt, bis einer von ihnen nahezu voll ist. Sie werden dann geleert, und die Ergebnisse werden von dem Controller 35 ausgelesen, während das CCD-Array beginnt, sich erneut zu füllen. Daher hat jedes Pixel die gleichen Körner über die gleichen Zeitintervalle gesehen. Im Gegensatz dazu müssen Diodenarrays sequentiell gelesen werden, sodass beispielsweise jedes gegebene Element ein Signal von einem Kornvolumen erzeugt, wenn es von denen unterschiedlich, die von den vorhergehenden Pixel gesehen wurden.
Der Rauschabstand des Systems 1 kann durch Mittelwertbildung über den Verlauf vieler Messungen verbessert werden.
Obenstehend wurde eine Prozedur zum Berechnen eines Absorptionsspektrums kurz erwähnt. Zu diesem Zweck kann der Schrittmotor 26 (2A) aktiviert werden, um den Verschluss 24 in der geschlossenen Stellung zwischen dem Ende des Aufnehmers 20 und dem Optikblock 46 zu platzieren. In dieser Stellung sieht der Optikblock 46 daher kein Licht von dem Aufnehmer 20 und nur die weißen Lichtemissionen des Verschlussflügels 24. Diese Messung erlaubt dann, dass ein Bezugssignal gemessen werden kann.
Die bevorzugte Messung des Absorptionsgrads umfasst den folgenden Prozess (ebenfalls in 4 dargestellt):

1. Ein Referenzdunkelspektrum D wird durch Schließen des Optikblockverschlusses 47 gemessen (Schritt 101).
2. Dann wird ein Messwert von dem CCD-Array 52 genommen (Schritt 102).
3. Den Optikblockverschlusses 47 öffnen (Schritt 103).
4. Den Aufnehmerverschluss 24 schließen (Schritt 104).
5. Ein Bezugsspektrum R durch Nehmen eines Messwerts von dem CCD-Array 52 messen (Schritt 105).
6. Den Aufnehmerverschluss 24 öffnen (Schritt 106).
7. Mit beiden Verschlüssen 24 und 47 nun offen, einen Messwert von dem abgetasteten Volumen 19 nehmen, um ein Probenspektrum S zu bestimmen (Schritt 107).
8. Das Absorptionsspektrum A berechen (Schritt 108).

Die Lichtabsorption, wie sie aus diesem diffusen Reflexionsgradmessungen hergeleitet wurde, wird angegeben durch A = LOG10((R – D)/(S – D)).
Da die Schwankungen des Absorptionsgrads aufgrund der Anwesenheit von Eiweiß außerdem ziemlich klein sind, werden typischerweise mehrere Realisierungen (Schritt 109), Mittelwertbildung und zweite Derivativanalysen verwendet, um die gewünschte Absorptionszahl bei einer bestimmten Wellenlänge zu erzeugen. Zusätzliche Datenverarbeitung kann daher ein zweites Derivativ dieser Funktion liefern, um konstante und lineare Offsets zu entfernen, sodass nur quadratische Merkmale und Merkmale höherer Ordnung in dem Absorptionsspektrum bei der Bestimmung des Eiweißgehaltes verwendet werden.
ÄQUIVALENTE
Obwohl diese Erfindung insbesondere mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen in der Form und Einzelheiten darin innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung durchgeführt werden können, wie er durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist. Der Fachmann wird erkennen oder imstande sein, unter Verwendung von nicht mehr als routinemäßigem Experimentieren, viele Äquivalente zu den spezifischen Ausführungsformen der hier spezifisch beschriebenen Erfindung zu bestimmen. Derartige Äquivalente sind bestimmt, in dem Schutzumfang der Ansprüche eingeschlossen zu sein.

Claims

Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher mit einer Beforderungsvorrichtung zum Befördern eines fließenden Stroms eines landwirtschaftlichen Produkts während des Erntens und einem System zum Bestimmen von Bestandteilen des landwirtschaftlichen Produktes, wenn es befördert wird, auf einer Echtzeit-Grundlage während des Erntens, wobei das System umfasst: eine Lichtquelle (10), die angeordnet ist, um einen Abtastabschnitt des fließenden Stroms eines landwirtschaftlichen Produktes innerhalb der Beförderungseinrichtung mit einer Mehrzahl von Wellenlängen innerhalb einer ausgewählten Bestrahlungsbandbreite innerhalb eines Nah-Infrarot-Spektrums zu bestrahlen; einen optischen Aufnehmer (20), der angeordnet ist, um von dem bestrahlten Abtastabschnitt reflektierte Lichtenergie zu empfangen; einen Wellenlängenseparator (32), der verbunden ist, um Licht von dem optischen Aufnehmer zu empfangen und räumlich getrenntes Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen; und einen Detektor (52), der verbunden ist, um Licht von dem Wellenlängenseparator (50) zu empfangen und erfasste Intensitätssignale, die die Lichtenergie angeben, gleichzeitig innerhalb der Wellängenseparatorbandbreite zu erzeugen.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher, wobei der Wellenlängenseparator ein linear veränderliches Filter (50) ist.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher gemäß Anspruch 1, wobei das System ferner umfasst: eine optische Faser (26), die zwischen dem optischen Aufnehmer und dem Wellenlängenseparator angeordnet ist, um Licht von einem Eingangs- und zu einem Ausgangsende desselben zu koppeln.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher gemäß Anspruch 3, wobei das System ferner umfasst: einen Modenmischer (42), der an dem Ausgangsende der optischen Faser angeordnet ist, um Veränderungen in der optischen Intensität des von der optischen Faser eingeführten Lichts abzuschwächen.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher gemäß Anspruch 1, wobei das System ferner umfasst: einen A/D-Wandler (33), der verbunden ist, um die erfassten Intensitätssignale zu empfangen und erfasste Intensitätswerte zu liefern.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher gemäß Anspruch 5, wobei das System ferner umfasst: einen Computer (39), der verbunden ist, um die erfassten Intensitätssignale vom dem Detektor zu empfangen und Bestandteile des Abtastabschnitts des Landwirtschaftsprodukts aus den erfassten Intensitätswerten zu berechnen.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher gemäß Anspruch 6, wobei der Computer angeordnet ist, um die Berechnung zu wiederholen und Messungen eines Bezugsspektrums R und eines Abtastspektrums S zu mitteln, um den Absorptionswert zu bestimmen.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher gemäß Anspruch 1, wobei das System ferner ein Optischer-Kopf-Gehäuse für die Lichtquelle und den optischen Aufnehmer umfasst, und wobei das Optischer-Kopf-Gehäuse benachbart einer Seitenöffnung in der Beförderungseinrichtung angebracht ist, der Wellängenseparator und der Detektor entfernt von der Beförderungseinrichtung platziert sind und eine optische Faser zwischen dem optischen Aufnehmer und dem Wellenlängenseparator geschaltet ist, um Lichtenergie zwischen ihnen zu koppeln.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher gemäß Anspruch 1, wobei der Detektor ein Array von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCD-Array) (52) ist.
Ernteeinrichtung oder Combine bzw. Mähdrescher gemäß Anspruch 1, wobei der Bestandteil aus der Gruppe ausgewählt wird, die Eiweiß, Feuchtigkeit, Öl, Stärke, Mehl und Härte umfasst.
Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Bestandteils eines fließenden Stroms eines landwirtschaftlichen Produkts wenn es geerntet wird, auf einer Echtzeit-Grundlage innerhalb eines landwirtschaftlichen Geräts, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestrahlen (10) eines Abtastabschnitts des fließenden Stroms eines landwirtschaftlichen Produktes, wenn es geerntet wird, mit einer Mehrzahl von Wellenlängen innerhalb einer ausgewählten Bestrahlungsbandbreite innerhalb eines Nah-Infrarot-Spektrums; Aufnehmen (20) der von dem bestrahlten Abtastabschnitt reflektierten Lichtenergie; Trennen (32) von Wellenlängen des aufgenommenen reflektierten Lichts, um räumlich getrenntes Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen; und Erfassen (52) von Intensitätssignalen von den getrennten Wellenlängen gleichzeitig bei mehreren ausgewählten Wellenlängen, um mehrere Lichtintensitäten gleichzeitig zu bestimmen, die den mehreren ausgewählten Wellenlängen entsprechen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, zusätzlich mit folgendem Schritt: Modenmischen (42) der durch den Aufnahmeschritt bereitgestellten Lichtenergie, um Veränderungen in der optischen Intensität des Lichtes abzuschwächen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die Schritte des Trennens und Erfassens durchgeführt werden, so dass die erfassten Intensitätssignale zu einer gegebenen Abtastzeit die Antwort für einen Bereich von Wellenlängen, wie von einen Abtastabschnitt genommen, darstellen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der Schritt des Trennens durch ein linear veränderliches Filter (50) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der fließende Strom eines landwirtschaftlichen Produktes ein landwirtschaftlicher Combine bzw. Mähdrescher ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der fließende Strom eines landwirtschaftlichen Produktes eine Erntereinrichtung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, zusätzlich mit folgendem Schritt: Umwandeln der erfassten Intensitätssignale, um digitale erfasste Intensitätswerte zu liefern.
Verfahren gemäß Anspruch 17, zusätzlich mit folgendem Schritt: Berechnen mindestens eines Bestandteils des Abtastabschnitts des landwirtschaftlichen Produkts aus den erfassten Intensitätswerten.
Verfahren gemäß Anspruch 18, zusätzlich mit folgenden Schritten: selektives Durchführen des Schritts des Aufnehmens von reflektiertem Licht durch Betätigen eines Aufnehmerverschlusses in einer geschlossenen (104) oder offenen (102) Stellung; selektives Durchführen des Schritts zum Trennen der Wellenlängen durch Betätigen eines Optikblockverschlusses in einer geschlossenen (101) oder offenen Stellung (103); und wobei der Schritt des Berechnens von mindestens einem Bestandteil durch Bestimmen eines Absorptionsvermögens ferner folgende Schritte umfasst: Messen (106) eines Dunkelspektrums D als die Rektion mit geschlossenem Optikblockverschluss; Messen (105) eines Bezugsspektrums R durch Öffnen des Optikblockverschlusses und Schließen des Aufnehmerverschlusses; Messen (107) eines Abtastspektrums S, wobei beide Verschlüsse geöffnet sind; und Bestimmen eines Lichtabsorptionswerts a bei der ausgewählten Wellenlänge aus der Beziehung A = log10((R – D)/(S – D))
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem der Schritt des Berechnens wiederholt wird, um Messungen von R und S zu mitteln, um den Absorptionswert zu bestimmen.